基于DCS的有機(jī)熱載體爐電控改造

張永行

（寶武裝備智能科技有限公司南京分公司，江蘇南京 210039）

1 原PLC控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)及存在的主要問(wèn)題

1.1 安全性差

原點(diǎn)火控制閥門(mén)為電磁閥，因?yàn)楣I(yè)煤氣中含有一定的雜質(zhì)，導(dǎo)致電磁閥被堵，閥門(mén)動(dòng)作不靈活甚至不動(dòng)作，存在煤氣泄漏至爐膛的可能，有一定的安全隱患。同時(shí)，由于電磁閥內(nèi)有垃圾物，導(dǎo)致點(diǎn)火階段煤氣流量不暢，點(diǎn)火成功率低。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差

系統(tǒng)控制柜位于機(jī)旁，區(qū)域高溫高濕，PLC 模塊在高溫環(huán)境下運(yùn)行，大幅降低了模塊的穩(wěn)定性及使用壽命。同時(shí)由于內(nèi)部設(shè)計(jì)布局不夠合理，強(qiáng)弱電系統(tǒng)布線無(wú)區(qū)分，內(nèi)部成套系統(tǒng)及原理圖不全且有諸多錯(cuò)誤，導(dǎo)致故障不易排查，故障頻發(fā)。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)火焰檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)形式欠佳

直接懸掛在燃燒器上，其防爆等級(jí)及防護(hù)等級(jí)均不符合安全規(guī)范要求。

1.4 點(diǎn)火變壓器的安裝形式欠妥

同樣直接懸掛在燃燒器上且設(shè)備沒(méi)有很好的封裝，因此電氣連接電纜也只能裸露在外面，其防爆及防護(hù)等級(jí)均不符合安全規(guī)范要求，存在嚴(yán)重安全隱患。

1.5 空氣流量調(diào)節(jié)閥沒(méi)有開(kāi)度大小反饋信號(hào)

閥門(mén)開(kāi)度要現(xiàn)場(chǎng)人工確認(rèn)，沒(méi)有和點(diǎn)火信號(hào)連鎖，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行存在一定的安全隱患。

1.6 軟件設(shè)計(jì)有欠缺

原PLC 系統(tǒng)顯示終端采用的是E-view 觸摸屏，各監(jiān)控點(diǎn)沒(méi)有做相應(yīng)的歷史趨勢(shì)記錄、操作記錄等，遇到問(wèn)題時(shí)無(wú)法查詢(xún)、溯源。如果重新設(shè)計(jì)、編程組態(tài)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且該觸摸屏使用不到一年就出現(xiàn)觸摸不靈敏的現(xiàn)象，性能不穩(wěn)定，影響操作。

1.7 自動(dòng)化程度不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求

目前所有的監(jiān)測(cè)、控制調(diào)節(jié)、點(diǎn)火、停爐等操作步驟全部現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)完成，自動(dòng)化程度低，增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 改進(jìn)措施及方案

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制柜重新設(shè)計(jì)，并安裝現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)，取消原來(lái)的S7-300PLC 柜，消除原DCS 系統(tǒng)只能監(jiān)控不能控制的缺陷；在現(xiàn)場(chǎng)增加防爆及防護(hù)等級(jí)滿(mǎn)足要求的接線箱，將火焰檢測(cè)器及點(diǎn)火變壓器封裝起來(lái)，以達(dá)到防爆及防護(hù)要求；更換空氣及高煤流量變送器并增加焦煤流量變送器，以便對(duì)焦煤流量、高煤流量和空氣流量的大小進(jìn)行監(jiān)控；更換空氣調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)定位器，增加開(kāi)度反饋功能，并接入DCS 控制系統(tǒng)中，參與控制；重新編寫(xiě)控制程序，組態(tài)到DCS 中，既可以在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，也可以在中控室實(shí)現(xiàn)DCS 遠(yuǎn)程控制。

3 系統(tǒng)軟硬件

3.1 系統(tǒng)硬件

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)硬件改造

新增防護(hù)等級(jí)為IP65的電氣操作柜取代原現(xiàn)場(chǎng)PLC 系統(tǒng)控制柜。該新增操作柜的主要功能為：對(duì)有機(jī)熱載體爐進(jìn)行點(diǎn)火操作，控制柜上有相應(yīng)的操作按鈕及狀態(tài)指示燈。包括手/自動(dòng)選擇、啟動(dòng)、停止、吹掃、檢漏、點(diǎn)火、是否檢測(cè)到火焰、急停等。

3.1.2 控制室硬件改造

停用原PLC 控制系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)DCS 控制系統(tǒng)，在3#焦油裝置的DCS 系統(tǒng)中增加二塊8卡槽底板和10塊FBM 卡，其控制核心移至中央控制室，將有機(jī)熱載體爐過(guò)程控制點(diǎn)的信號(hào)全部接入現(xiàn)有的DCS 系統(tǒng)，使其控制系統(tǒng)的核心遠(yuǎn)離惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提高了系統(tǒng)安全性、可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)還提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減輕了操作人員的勞動(dòng)負(fù)荷。除點(diǎn)火時(shí)要求操作人員到現(xiàn)場(chǎng)外，對(duì)于過(guò)程的監(jiān)控、參數(shù)調(diào)節(jié)等均在中央控制室實(shí)現(xiàn)。

3.1.3 新增焦?fàn)t煤氣總管壓力檢測(cè)

由于原系統(tǒng)中無(wú)焦煤壓力檢測(cè)點(diǎn)，而焦煤壓力的變化是影響有機(jī)熱載體爐控制系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素之一。增加了焦煤壓力檢測(cè)之后，遇到故障時(shí)也更便于查找原因、分析溯源等。

3.2 系統(tǒng)軟件

DCS應(yīng)用軟件組態(tài)主要包括控制組態(tài)、顯示組態(tài)、報(bào)警組態(tài)、歷史組態(tài)等，最終為系統(tǒng)提供一個(gè)完整的操作界面。

本項(xiàng)目選用FOXBORO 公司提供的I/A’s70 系列DCS 系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)工具為該系統(tǒng)提供的ICC 組態(tài)器、FOXDRAW、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表工具等。

4 控制策略

4.1 安全點(diǎn)火控制

點(diǎn)火操作分為現(xiàn)場(chǎng)“手動(dòng)/自動(dòng)”和遠(yuǎn)程“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種方式?！笆謩?dòng)”點(diǎn)火：“手動(dòng)”狀態(tài)下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作盤(pán)按鈕及信號(hào)燈，由現(xiàn)場(chǎng)操作人員按照點(diǎn)火步驟依次完成。“自動(dòng)”點(diǎn)火：“自動(dòng)”狀態(tài)下，按“啟動(dòng)”按鈕，則由程序自動(dòng)完成點(diǎn)火操作。在“手動(dòng)”或“自動(dòng)”狀態(tài)下，按“停止”按鈕，均可中斷點(diǎn)火。在點(diǎn)火程序執(zhí)行的過(guò)程中，電腦畫(huà)面跟蹤顯示相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)和儀表參數(shù)。

4.2 有機(jī)熱載體爐出口溫度控制

4.2.1 總體控制思想

溫度控制調(diào)節(jié)在點(diǎn)火完成后即可投入運(yùn)行，如對(duì)爐溫升溫速度有限制，可手動(dòng)調(diào)節(jié)火力大小，在導(dǎo)熱油出口溫度與設(shè)定值偏差較大時(shí)投入手動(dòng)調(diào)節(jié)，偏差較小時(shí)方投入自動(dòng)調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)單獨(dú)燒焦煤時(shí)，爐子出口溫度通過(guò)焦煤流量進(jìn)行串級(jí)調(diào)節(jié)；當(dāng)焦煤與高煤混合燃燒時(shí)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)高煤調(diào)節(jié)閥以及空氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小來(lái)控制爐膛溫度；正常燃燒時(shí)，焦煤、空氣調(diào)節(jié)閥在程序內(nèi)設(shè)置一個(gè)最小開(kāi)度，不會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致完全關(guān)閉。

4.2.2 溫度串級(jí)控制

本系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)爐子的出口溫度相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)在一定范圍之內(nèi)，因?yàn)槌Ｒ?guī)的“雙交叉限幅比值控制”方法仍然會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)過(guò)大情況，所以在常規(guī)控制方法基礎(chǔ)上加入“溫度串級(jí)”控制，如圖1所示。

圖1 溫度串級(jí)-雙閉環(huán)交叉限幅比值控制框圖

燃燒過(guò)程中采用雙閉環(huán)交叉限幅比值控制方法來(lái)控制空煤比比例關(guān)系，計(jì)算得到最佳空煤比比值并轉(zhuǎn)化為安全閥的限值，將安全閥限值分別回饋給煤氣PID 控制器和空氣PID 控制器，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，把比較后的結(jié)果作為新的設(shè)定值，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷增加時(shí)先增風(fēng)量再增煤氣量，負(fù)荷減少時(shí)先減煤氣量再減風(fēng)量，避免缺氧燃燒。

如圖1 所示，設(shè)空氣進(jìn)風(fēng)量為Fk。假設(shè)空煤比Kfq（進(jìn)風(fēng)量/進(jìn)煤氣量）為Kfqj 時(shí)達(dá)到最佳燃燒效果，由于燃燒時(shí)空氣和煤氣為比例控制，很容易得出最優(yōu)進(jìn)煤氣量Fqj 為：

為了保護(hù)環(huán)境和設(shè)備，應(yīng)盡量避免缺氧燃燒，根據(jù)燃燒空煤比例控制關(guān)系，煤氣進(jìn)氣量設(shè)定值不應(yīng)該高于最優(yōu)值Fqj。如果煤氣初始設(shè)定值為Fq-sd0，那么最終的設(shè)定值Fq-sd1應(yīng)為“低選比較器”的輸出結(jié)果：

同上結(jié)論，當(dāng)設(shè)煤氣進(jìn)氣量為Fq 時(shí)，如果要使燃燒效率最高，則最優(yōu)的供風(fēng)量計(jì)算公式如下：

同時(shí)，為了保證系統(tǒng)安全及系統(tǒng)不會(huì)缺氧燃燒，控制系統(tǒng)的供風(fēng)PID 回路設(shè)定值不應(yīng)該小于最優(yōu)供風(fēng)量Fqj。如果本地的供風(fēng)初始設(shè)定值為Fq-sd0，那么經(jīng)過(guò)“高選比較器”得到最終的供風(fēng)設(shè)定Fq-sd1的值為：

當(dāng)手動(dòng)設(shè)定出口溫度后，系統(tǒng)程序風(fēng)量和煤氣可以根據(jù)系統(tǒng)程序給定條件自動(dòng)匹配、自動(dòng)調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)溫度串級(jí)雙閉環(huán)交叉限幅控制的一系列動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程，使煤氣輸入量在設(shè)定值區(qū)域范圍內(nèi)，供風(fēng)量和煤氣量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的燃燒比例。當(dāng)以上調(diào)節(jié)過(guò)程穩(wěn)定后，出口溫度控制可以切換到自動(dòng)控制狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)出口溫度的自動(dòng)控制。

主流程圖畫(huà)面可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況選擇溫度串級(jí)或交叉限幅兩種控制方式來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油出口溫度。同時(shí)畫(huà)面還具備顯示各種儀器儀表設(shè)備狀態(tài)和問(wèn)題報(bào)警功能。在I/A’S 系統(tǒng)中，對(duì)各模擬量控制點(diǎn)采取歷史趨勢(shì)記錄方式，可查詢(xún)、追蹤；狀態(tài)量控制點(diǎn)也同時(shí)采取歷史記錄方式，即每個(gè)狀態(tài)量發(fā)生改變時(shí)，在歷史庫(kù)中均有相應(yīng)記錄，方便隨時(shí)查詢(xún)。

5 系統(tǒng)組態(tài)

5.1 硬件組態(tài)

在3#焦油裝置的DCS 系統(tǒng)中增加二塊8卡槽底板和10塊FBM 卡，設(shè)備安裝在FC2009機(jī)柜，信號(hào)進(jìn)CP2005機(jī)柜?？?lèi)型和提供點(diǎn)數(shù)如表1所示。

表1 有機(jī)熱載體爐改造卡板選型表

5.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)、設(shè)備顯示和操作

采用電腦中控室集中監(jiān)控，設(shè)備各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)能夠直接在工藝流程圖監(jiān)控畫(huà)面上顯示。操作人員可以通過(guò)程序自動(dòng)、中央手動(dòng)、控制盤(pán)按鈕手動(dòng)或就地手動(dòng)幾種方法控制設(shè)備。

5.2.1 模擬量和PID調(diào)節(jié)器

參數(shù)指示框包括參數(shù)位號(hào)、參數(shù)值、參數(shù)單位等信息。手/自動(dòng)指示塊為調(diào)節(jié)器專(zhuān)用，顯示調(diào)節(jié)器的手動(dòng)、自動(dòng)狀態(tài)。報(bào)警指示塊指示報(bào)警狀態(tài)，無(wú)報(bào)警時(shí)消失，按下可以確認(rèn)報(bào)警。文字含義：HH（高高）、H（高）、L（低）、LL（低低）、UN（未確認(rèn)）顏色的含義：紅色（HH/LL 報(bào)警）、黃色（H/L 報(bào)警）、白色（報(bào)警消失但未確認(rèn)）；色彩閃爍時(shí)表示報(bào)警未確認(rèn)，不閃爍表示已確認(rèn)。按下參數(shù)指示框可以調(diào)出相關(guān)顯示/操作窗口。

5.2.2 動(dòng)態(tài)機(jī)、馬達(dá)、切斷閥等設(shè)備

顏色的含義：綠色表示設(shè)備未啟動(dòng)；紅色表示設(shè)備正在運(yùn)行；桔紅色表示故障報(bào)警，顏色閃爍表示報(bào)警未確認(rèn)；正常顏色但閃爍表示報(bào)警消失未確認(rèn)。

以上顏色如能覆蓋設(shè)備所有信息，且設(shè)備不在DCS 上操作，則點(diǎn)擊設(shè)備可以確認(rèn)設(shè)備報(bào)警；否則點(diǎn)擊設(shè)備彈出詳細(xì)狀態(tài)指示和操作窗口（OVERLAY）。

5.2.3 聯(lián)鎖和順控

在流程圖上相關(guān)位置設(shè)置有按鈕，按下可調(diào)出相應(yīng)的聯(lián)鎖或順序控制窗口（OVERLAY），可在OVERLAY 上觀察聯(lián)鎖狀態(tài)并操作。完成后的主流程畫(huà)面如圖2所示。

圖2 主流程畫(huà)面圖

畫(huà)面從左到右依次是點(diǎn)火條件判斷、點(diǎn)火步驟、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)以及指示燈，點(diǎn)火步驟狀態(tài)是通過(guò)程序邏輯運(yùn)算得到的，結(jié)合右側(cè)現(xiàn)場(chǎng)輸入的設(shè)備狀態(tài)及指示燈雙重監(jiān)測(cè)，從而保證了點(diǎn)火過(guò)程安全、順利地進(jìn)行。利用不同顏色表示點(diǎn)火步驟運(yùn)行狀態(tài)，灰色表示已完成，紅色表示正在執(zhí)行，綠色則表示尚未執(zhí)行。

5.3 報(bào)警組態(tài)

5.3.1 報(bào)警級(jí)別

1級(jí)聯(lián)鎖報(bào)警；2級(jí)參數(shù)報(bào)警、設(shè)備報(bào)警；5級(jí)通道報(bào)警。

5.3.2 報(bào)警設(shè)備

報(bào)警信息會(huì)發(fā)送給送相關(guān)單元操作站的報(bào)警鍵盤(pán)和報(bào)警列表，并發(fā)送至歷史庫(kù)記錄。報(bào)警可在過(guò)程報(bào)警畫(huà)面、流程畫(huà)面、組顯示畫(huà)面、調(diào)節(jié)/操作面板上顯示和確認(rèn)。報(bào)警發(fā)生時(shí)：操作員站蜂鳴器報(bào)警。操作員站報(bào)警鍵盤(pán)上相應(yīng)畫(huà)面左邊的指示燈閃爍，報(bào)警確認(rèn)后指示燈停止閃爍，報(bào)警消失指示燈滅。菜單上Process 按鈕紅色閃爍，點(diǎn)擊可調(diào)出過(guò)程報(bào)警畫(huà)面，畫(huà)面以列表形式列出實(shí)時(shí)或歷史報(bào)警。所有報(bào)警可以實(shí)時(shí)在指定打印機(jī)上打出。在本次“有機(jī)熱載體爐控制系統(tǒng)在I/A’S 中實(shí)現(xiàn)”的改造中，全面、合理選取必要的聯(lián)鎖條件，同時(shí)將每個(gè)停爐保護(hù)條件加入歷史庫(kù)，結(jié)合操作員行為記錄，以便于對(duì)停爐原因進(jìn)行追溯與分析。在I/A’S 系統(tǒng)中，組態(tài)其聯(lián)鎖監(jiān)控畫(huà)面。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改造后的3#焦油有機(jī)熱載體爐系統(tǒng)在我公司的同類(lèi)導(dǎo)熱油系統(tǒng)中具有一定的代表性，其安全性和自動(dòng)化程度進(jìn)一步得到了提高。并且，自改造之后運(yùn)行至今，該有機(jī)熱載體爐系統(tǒng)從未因?yàn)橄嚓P(guān)設(shè)備問(wèn)題而引起聯(lián)鎖停爐，從而提高了生產(chǎn)效率，優(yōu)化了管理，給整個(gè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。